收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

SAPMAC法大尺寸蓝宝石晶体生长的模拟分析与应用研究

许承海  
【摘要】: 蓝宝石晶体具有优异的光学性能、热学性能和化学稳定性,强度高、硬度大、耐冲刷等一系列优良的特性,适合在恶劣条件下工作,因而在国防与民用工业的许多领域得到广泛应用。 冷心放肩微量提拉法(Sapphire growth technique with micro-pulling and shoulder-expanding at cooled center, SAPMAC)具有温场扰动小,晶体内温差小,可原位退火和生长周期短等优点。但晶体直径难于控制、晶体易形成气泡与开裂等问题亟待解决。基于此背景,本文开展了以下几方面的工作:从理论和实验两个方面研究SAPMAC法晶体生长原理,蓝宝石晶体缺陷引入原因和控制措施。结果表明:在保证H/DC 1的条件下,可以通过调控加热温度TI(坩埚外壁的环境温度)、熔体的铅直温差TA+d、熔体的水平温差TRd实现对熔体流动状态的调控、冷心的形成;SAPMAC法晶体生长关键的控制因素是对晶体生长系统内热量输运过程的调控,其可以通过增加系统散热和降低系统供热的方式来实现;SAPMAC法生长的蓝宝石晶体内主要含有位错、镶嵌结构、色心、气泡、包裹物及裂纹等缺陷,其引入原因可概括为晶体生长的物质条件和工艺条件两个方面的因素;物质条件主要表现在晶体生长设备精度、有害杂质和籽晶质量等方面,工艺条件主要表现在晶体生长的温场分布、固液界面形态与稳定性、生长速率和冷却速率等方面。 建立用于反映SAPMAC法晶体生长的数学物理模型,应用有限元法求解此模型,以晶体/熔体中的温度分布、温度梯度、固液界面凸出率与稳定性和生长速率等为评价指标,预报工艺参数对晶体生长的影响,进行晶体生长的温场与工艺设计。结果表明:随热交换器散热能力的增加,晶体生长速率逐渐减小,晶体/熔体中温度梯度、固液界面凸出率随之增大。随加热温度的降低,晶体生长速率逐渐增大,加热温度愈接近结晶温度,晶体生长速率变化率就愈剧烈;界面凸出率及晶体/熔体中温度梯度随之减小。晶体生长热系统附加适当轴向和径向温度梯度能够使界面位置的温度梯度增大,晶体/熔体中的温度梯度降低;较大附加温度梯度能够为晶体生长速率提供更大的调控空间。依据特定的温场设计,采用调节热交换器散热能力的方式进行引晶和放肩阶段控制、降低加热温度的方式进行等径和收尾阶段控制,实施晶体生长过程的分阶段控制。 运用负离子配位多面体生长基元理论探讨熔体法蓝宝石晶体的结晶习性;并从蓝宝石晶体的结晶习性、晶格结构及晶体脆性等方面研究晶体生长方向的选取原则。结果表明:熔体法蓝宝石晶体各面的生长速率满足V_({0001})V_({11-23})V_({01-12})V_({11-20})V_({01-10})的关系。对于SAPMAC法生长蓝宝石晶体,选择a[11-20]或r[01-12]晶向为生长方向较为适宜。 根据SAPMAC法晶体生长工艺特点,研究晶体材料热力学性能及其各向异性对晶体生长质量的影响规律。结果表明:固相与液相具有相同的热传导系数时,较小的热传导系数能够有效降低晶体内温度梯度和界面凸出率,较大的热传导系数则有利于提高晶体的生长速率;固相与液相具有不同的热传导系数时,较大的固相热传导系数有利于降低晶体中的温度梯度,较小的液相热传导系数有利于增大熔体中的温度梯度;晶体热传导系数各向异性时,较大的轴向热传导系数,较小的径向热传导系数有利于提高晶体的生长速率和维持生长界面稳定;而稍大的径向热传导系数则有利于保持微凸的生长界面;晶体中热应力正比于热膨胀系数,随热膨胀系数的增大而增大;对于各向异性的晶体材料,尤以径向热膨胀系数的影响效果显著。 根据SAPMAC法晶体生长工艺特点,研究晶体生长工艺和温场分布的尺寸效应。结果表明:晶体直径愈大晶体生长愈难以控制,晶体质量愈难以保证;生长更大直径晶体时,工艺措施的选择、参数的确定,设备的控制精度和稳定性皆需更进一步;温场设计应向增加轴向附加温度梯度、减小径向附加温度梯度方向调整。 应用改进了的温场设计,优化了的工艺技术,进行晶体生长实验。实验表明:蓝宝石晶体直径220~240mm,重26.5~28.5kg,结晶完整,无明显缺陷,红外透过性良好。实验结果验证了本文提出的理论和模拟结果。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 ;我国研制成大尺寸蓝宝石晶体[J];发明与创新;2003年12期
2 周国清,徐军,周永宗,邓佩珍,干福熹;温梯法生长φ100mm蓝宝石晶体研制新进展[J];人工晶体学报;2000年S1期
3 谭强;;我国将成为第四个大尺寸蓝宝石晶体生产国[J];功能材料信息;2010年Z1期
4 Ju. Linhart;水平结晶法生长蓝宝石晶体的热交换研究(英文)[J];人工晶体学报;2003年06期
5 曾骥良;周卫宁;张昌龙;霍汉德;;宝石晶体水热法生长的原理和技术[J];中国宝玉石;2008年01期
6 周国清,李红军,乔景文,周永宗,邓佩珍,徐军;LIGO计划用大尺寸蓝宝石晶体光学均匀性和弱吸收获得进展[J];光学学报;2001年03期
7 李真;陈振强;陈宝东;;泡生法高质量蓝宝石晶体的研究[J];人工晶体学报;2008年04期
8 杨新波;李红军;徐军;程艳;周国清;;导模法和温度梯度法生长r面蓝宝石(英文)[J];硅酸盐学报;2008年05期
9 姚泰;韩杰才;左洪波;孟松鹤;张明福;李常青;;蓝宝石单晶的气孔形成研究[J];无机材料学报;2008年03期
10 杨新波;李红军;徐军;程艳;唐慧丽;周国清;;导模法生长晶体研究进展[J];硅酸盐学报;2008年S1期
11 张明福;张海亮;郭怀新;韩杰才;杨海;霍承松;黎建明;;蓝宝石强化研究进展[J];材料导报;2010年03期
12 文东辉;洪滔;张克华;鲁聪达;;蓝宝石晶体的双面研磨加工[J];光学精密工程;2009年10期
13 王铎;;熔融法蓝宝石晶体退火特性研究[J];长春工业大学学报(自然科学版);2011年03期
14 张义耀;;蓝宝石研究述评[J];矿产与地质;2006年01期
15 王新练;邹萍;王春芬;阳剑;黄宁康;;注入Nb~+的蓝宝石晶体退火前后的光学分析[J];原子能科学技术;2006年05期
16 许承海;杜善义;张明福;孟松鹤;左洪波;谭舒平;G.Benik;;加热功率波动对SAPMAC法生长蓝宝石晶体的影响[J];人工晶体学报;2007年02期
17 许承海;张明福;孟松鹤;左洪波;韩杰才;;蓝宝石热物性能对SAPMAC法晶体生长影响的模拟分析[J];稀有金属材料与工程;2007年S2期
18 王铎;龚子洲;;熔融法制备蓝宝石[J];长春工业大学学报(自然科学版);2010年06期
19 ;资讯速递[J];网印工业;2011年07期
20 孙广年;于旭东;沈才卿;;泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用[J];宝石和宝石学杂志;2007年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 周国清;董永军;李红军;司继良;苏良碧;徐军;邓佩珍;;φ140mm蓝宝石晶体的生长[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年
2 徐宏;范修军;王越;蒋毅坚;;光学浮区法生长蓝宝石晶体研究[A];中国光学学会2011年学术大会摘要集[C];2011年
3 邓佩珍;;蓝宝石晶体及其应用[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展(下册)[C];1999年
4 陈振强;陈宝东;;泡生法生长高质量蓝宝石晶体技术[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年
5 甘源明;;关于我国蓝宝石的穆斯堡尔效应研究[A];中国地质科学院地质研究所文集(9)[C];1984年
6 杨新波;李红军;程艳;徐军;;温梯法和导模法生长蓝宝石晶体[A];《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年
7 张化宇;汪桂根;左洪波;张明福;韩杰才;赫晓东;;光学窗口用蓝宝石晶体中子辐照的热致发光效应研究[A];第15届全国晶体生长与材料学术会议论文集[C];2009年
8 代兵;王家智;朱嘉琦;;提高蓝宝石高温强度与透过率的研究进展[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(上册)[C];2008年
9 左洪波;杨鑫宏;;直径300mm蓝宝石晶体的生长与缺陷控制[A];第15届全国晶体生长与材料学术会议论文集[C];2009年
10 许承海;张明福;孟松鹤;韩杰才;左洪波;;蓝宝石晶体热物性能对冷心放肩微量提拉法晶体生长影响的数值模拟[A];第14届全国晶体生长与材料学术会议论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 杜鑫;分子及晶格相干振动超快过程的飞秒CARS光谱研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
2 孙丛婷;六方晶胞金属氧化物的结晶学研究[D];大连理工大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 蔡迅;改进热交换法生长蓝宝石晶体中的气泡研究[D];北京有色金属研究总院;2013年
2 曲云飞;蓝宝石晶体生长工艺及设备性能分析[D];哈尔滨理工大学;2012年
3 王晓红;SAPMAC法蓝宝石生长形态及机制研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 张雪平;蓝宝石晶体生长与LED应用研究[D];湖南大学;2012年
5 张朝阳;白光偏振干涉高温传感技术研究[D];重庆大学;2009年
6 宋红莲;稀土离子掺杂ZnO薄膜的制备及特性研究[D];山东建筑大学;2013年
7 孟庆琨;蓝宝石相干声子失相过程时间分辨CARS光谱研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
8 王立明;水热法合成氧化物晶体[D];河北大学;2003年
9 郑磊;SIC晶体生长系统关键技术研究[D];西安理工大学;2010年
10 杨智勇;反应中心内的电荷转移态与有机小分子光致异构化过程的超快光谱学研究[D];吉林大学;2013年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 程金文;中国最大蓝宝石晶体扬中问世[N];镇江日报;2011年
2 记者 张晔;国内最大人造蓝宝石晶体在江苏诞生[N];科技日报;2011年
3 ;我国科研人员研究制成大尺寸蓝宝石晶体[N];今日信息报;2003年
4 记者 王永群;国内最大LED商用蓝宝石晶体合肥问世[N];中国经济时报;2011年
5 记者 丁锐;LED蓝宝石晶体项目落户宜春[N];宜春日报;2011年
6 ;哈工大奥瑞德公司:开拓创新 从容应对[N];黑龙江日报;2009年
7 本报记者 李丽云;黑龙江:与世界高手结伴同行[N];科技日报;2011年
8 记者 朱卫国 通讯员 李卫东 李辉;联电科技园第一炉蓝宝石晶体成功问世[N];济宁日报;2010年
9 黄水林;连城签约12个项目[N];闽西日报;2008年
10 黄水林;连城 光电项目忙开工[N];福建日报;2009年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978